燃烧前脱碳技术与工程进展

2015-04-01张启阳黄凤敏陆诗建刘海丽尚明华

应用化工 2015年7期

张启阳，黄凤敏，2，陆诗建，刘海丽，尚明华

(1.中石化石油工程设计有限公司，山东东营 257026;2.中国石油大学(华东)化学工程学院，山东青岛 266580)

近年来，CO2等温室气体的排放量急剧增多，依据联合国政府间气候变化专业委员会(IPCC)的第五次报告，近130 年来，全球的平均气温上升了0.85 ℃左右，因此人类必须要采取积极措施行动起来，采取经济、政治、技术、资金等措施进行减排，应对人类生存的严峻挑战。

目前，世界上许多工业化国家采取的CO2减排模式主要有:①提高能源利用效率和转化率;②大力发展可再生能源和绿色能源替代化石燃料;③CO2捕集封存与利用技术(CCUS)［1］。由于中国以煤为主的能源结构状况将会长期存在，以煤电为主的能源主格局短期内难以发生重大改变，而在2014 年1月，国家总理在召开的国务院常务会议上提出合理控制煤炭消费总量、推广使用洁净煤的重要措施，这正好利于国内IGCC(整体煤气化联合循环)、煤制气等洁净煤技术的项目建设。

1 技术简介

1.1 技术路线

燃烧前CO2捕集技术是指煤在水蒸气、空气或氧气环境下使其高压气化，产生合成气(主要成分为CO 和H2)，再经过水煤气变化后转化为CO2和H2，再经分离进行CO2气体的捕集，而H2用于燃烧发电［2］，目前该技术主要运用于IGCC(整体煤气化联合循环发电)系统中。

IGCC 系统是一种新型的清洁燃煤发电技术，是在已经非常成熟的燃气-蒸汽联合循环发电基础上，增加一套煤的气化和净化设备，促使煤转化为相当洁净的人造合成煤气，进而在联合循环发电系统中实现煤的洁净发电［3］。

气化反应的氧化剂可分为有氧吹和空气鼓风，若使用的气化炉采用O2作为氧化剂，需要增加空分制氧设备，能耗相对比较大。

1.2 工艺流程

IGCC 基本流程［4］叙述如下:将煤或其它的含碳物质首先经过预处理，经气化炉气化产生粗煤气，经过除尘、脱硫集脱碳等净化工艺生成合成气，然后合成气再供给燃气轮机燃烧做功，燃气轮机排气余热经废热锅炉回收将水加热成过热蒸汽，带动蒸汽机做功、发电，从而实现煤气化燃气蒸汽联合循环发电的目的。典型的IGCC 工艺流程见图1。

图1 典型IGCC 工艺流程图Fig.1 Typical IGCC process flow diagram

2 典型IGCC 工程进展

IGCC 继承和发展了热力发电系统的先进技术，将空气分离技术、煤的气化技术、煤气净化技术、燃气轮机联合循环技术以及系统的整体化技术有机集成［5-8］，实现CO2的近零排放和CO2的捕集、封存和再利用。IGCC 的关键技术是煤的气化和煤气的净化，目前气化的装置有3 种类型［9］:①喷流床气化炉，典型的包括美国的Texaco 炉、荷兰的Shell 炉、德国的Krupp-Kropper 炉等;②流化床气化炉，例如美国的Krw 炉、U-gas 炉;③固定床气化炉，代表性的当属英国Lurgi 公司的BG/L 炉。

2.1 国内IGCC 工程发展

我国于1994 年4 月成立IGCC 领导组，但一方面由于IGCC 系统比较复杂、造价过高和气化炉等关键技术不能克服，再者国家没有制定相应的环境保护法案等种种原因［10］，未能得到顺利推广，因而比欧美发达国家落后了近十年的时间。

国内神华、华能、大唐、中电投等多家大型发电企业都已实质性推进IGCC 项目［11］。目前我国拟建或在建的IGCC 项目有9 项，还有5 项处于可研发状态。另有西安热工研究院、华东理工大学、山东兖州矿务局、中科院工程热物理研究所等单位在IGCC关键技术突破方面等都取得了不错的成绩［12］。

(1)2009 年7 月，中国首座IGCC 示范工程——华能天津250 MW IGCC 电站示范工程在天津正式开工。电站于2012 年12 月12 日投产，相比同等规模的常规燃煤电站，供电效率高、污染物近零排放，其污染物排放水平接近天然气电站［13］。采用的是华能自主研发的2 000 t/d 两段式加压干煤粉气化炉［14］，具有煤种适用性强、转化效率高、环保性能好等优点，早在2009 年8 月，美国宾夕法尼亚州未来燃料公司特别引进了华能自主开发的两段式干煤粉加压气化技术，这是我国煤气化技术首次进入发达国家市场，华能有望成为该先进技术的世界领导者。

(2)2004 年，华能集团率先提出“绿色煤电”计划，并于2005 年联合国内的大唐、华电、国电、中电投、神华、国开投、中煤等多家能源公司，成立了由华能集团控股的绿色煤电有限公司，共同实施“绿色煤电”计划。计划分三个阶段［15］实施，用10 年左右的时间最终建成“绿色煤电”示范电站，现处于第三阶段(2014 ～2016 年)，实施绿色煤电示范项目，计划于2016 年左右建成400 MW 级“绿色煤电”示范工程，集成大规模煤制氢和氢能发电、CO2捕集和封存等关键技术，实施“绿色煤电”示范项目，为实现规模化、商业化做铺垫。

(3)大唐东莞IGCC 改造项目已经完成，计划采用神华煤，4 ×400 MW 燃机［16］，另外包括其装机规模2 ×400 MW 的天津大港项目、辽宁沈阳IGCC 多联产工程，同时广东深圳的IGCC 项目也已开展。

(4)中电投河北廊坊的IGCC 项目，计划总投资70 亿元，采用山西煤，2 ×400 MW(9FA 双轴)［17］。

(5)国电集团山东烟台IGCC 示范项目，由于资金和效益问题，目前已经取消［18］。

2.2 国外IGCC 工程发展

自美国于1984 年建成第一座IGCC 示范电站Cool Water 取得成功后，IGCC 工程在世界上发展非常迅速，北美的美国、加拿大，亚洲包括韩国、澳大利亚、日本，欧洲的英国、德国等世界发达国家均启动运行IGCC+CCS 工程项目。比较典型的有以下工程项目:

(1)目前路易斯安那州的莱克查尔斯CCS 项目处于发展规划阶段，其气化设备能够将石油焦炭转换成合成气，合成气接着用于生产甲醇、氢气和硫酸等化工产品，项目设计每年可捕集460 万t CO2，捕集的CO2将通过管道运输至德州休斯顿附近的西方黑斯廷斯油田用于EOR 作业［19］。

(2)Edwardsport 电厂IGCC 项目，于2004 年10月开始进行可行性研究，2007 年11 月项目正式进入工程建设阶段，以Indiana 5#煤为设计煤种，全厂设计净出力约为618 MW，净供电效率为38.5%(HHV)，最小稳定负荷可以达到50%。Edwardsport IGCC 电厂是第一个采用GE 标准化IGCC 概念设计的商业电厂，在空分、整体化控制、蒸汽轮机、合成气辐射式冷却器、燃气轮机方面进行了重点改进创新［20］，拥有世界上规模最大的煤气化清洁发电装置，在可用率、环保指标方面居于世界领先水平。

(3)美国提出的“未来发电(FutureGen)”计划，将在美国建立不低于300 MW 等级的集二氧化碳捕集和封存、发电、制氢于一体的IGCC 发电示范项目［21］，预计每年捕获封存CO2200 万t 以上。

(4)澳大利亚Zero Gen 示范项目［22］，项目计划分两阶段执行:第一阶段建设120 MW 发电能力的示范电厂，捕集75%的二氧化碳并部分填埋;第二阶段在2017 年建成450 MW 级大型IGCC +CCS 示范电厂，实现90%的CO2的捕集。

(5)加拿大Alberta EPCOR 项目，计划于2020年建成，发电容量约为270 MW，采用SFG-500 气化炉，用于发电和碳捕集。

(6)荷兰将于2017 年建成的Nuon Maggnum 项目将采用shell 气化炉，发电容量高达1 200 MW，可以有效减缓CO2排放，实现近零排放的目标。

(7)日本在2008 年已建成250 WM 的IGCC 示范电站，采用干法进料，净效率达到42%。日本计划继续坚持走自主创新道路，将容量扩大到65 WM，效率提高到48%，并与二氧化碳捕集和封存技术(CCS)紧密联合，将CO2注入到海底，加大进行海洋地质封存的研究。

(8)德国REW 电力公司计划建设一座属于IGCC+CCS，发电容量450 MW 的燃煤碳捕集电厂。该电厂以莱茵褐煤为燃料，碳捕集率90%，封存二氧化碳2.6 Mt，预计2015 年建成投产。

(9)2013 年12 月英国政府已与白玫瑰CCS 项目签订前端工程设计合同，将富氧燃烧捕集技术与新建的超高效的燃煤发电站技术结合，每年捕集大约200 万t CO2，白玫瑰项目是通过欧盟NER300 计划第二轮被支持申请资金的CCS 项目。

3 IGCC+CCS 技术发展存在的问题及应对措施

3.1 存在的问题

3.1.1 法律政策方面 “绿色煤电”计划的整体推进需要类似法律法规的保障，目前我国对IGCC 和CCS 技术缺乏明确的产业政策支持，使得“绿色煤电”计划的实施进程整体落后于预期目标，而世界的一些国家在这方面已经做得比较到位，环境法案和能源法案基本都已出台，例如，美国在其2005 年颁布的能源法案中，规定以财政补贴、提供贷款和税收减免等方式来推动IGCC 的商业化运行。

3.1.2 资金问题 IGCC 和CCS 在我国都属于新兴技术，复杂程度很高，而“绿色煤电”技术将两者进行整合，实施的难度更高，再加上IGCC 和CCS 技术目前还处于示范阶段，尚未开始商业化推广，初期需要较高的资金投入，因此，对于“绿色煤电”这种国家能源战略储备性技术，单纯由企业主导存在诸多困难。

从目前国外已有的IGCC 项目看，基本都是由各国政府主导并部分投资。例如，美国政府对其第一个IGCC 项目提供了1.2 亿美元资助，日本的IGCC 项目中政府投资占30%。然而，我国的天津IGCC 项目仅从科技部863 计划中获得了数千万元的科研经费资助，大部分投资由华能牵头的国内企业承担。

3.1.3 跨行业、跨区域合作问题若单纯依靠发电和石油企业之间进行二氧化碳封存的合作存在一定难度，需要通过电力企业与石油、地质等企业之间跨行业、跨区域的广泛协调合作才能实现。以CCS 实施来说，已经超出了发电企业的传统业务范畴，需要有关部门的统一协调。

3.1.4 电价过高问题由于IGCC 电站在示范阶段的供电成本高于常规燃煤电站，如果不综合考虑其环境效益和社会效益，同样执行标杆电价必然会导致企业的亏损，影响企业研发示范新技术的积极性。

3.2 解决措施

加快制定环保能源方面的法律法规;政府出台各种优惠扶持政策;提供充足的科研经费，加快科研队伍的建设，形成具有自主知识产权的绿色煤电技术，实现设备国产化、大型化和商业化;政府要协调好燃煤电站和石油化工行业之间的合作关系;积极开展国际技术合作，鼓励引进先进技术，将产学研有机结合进而促进清洁煤发电技术。

4 结束语

IGCC 是一种清洁的煤发电技术，符合21 世纪人类节能减排的发展方向。IGCC 技术在中国应用推广的前景非常广阔，我国“绿色煤电”技术作为基于燃烧前捕集的CCS 技术，适合于新建的燃煤电站，与国际同类项目同时起步，具有高起点、自主创新性等优势。我国在实现低碳经济发展的进程中，要继续推进IGCC 示范电站建设，大力开发并掌握洁净煤发电的核心技术，提高发电效率。同时将IGCC 与CCS 技术紧密联合，大力发展CO2捕集分离技术，达到污染物和CO2的近零排放，实现预期的节能减排的目标。

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